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摘要
质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其较高的发电效率和常温工作稳定性而被广泛关注。传统PEMFC由于电堆内部发电负载不均匀，容易发生“水淹”等问题。大多数研究基于在单电池层面上通过改变流场结构的方法优化PEMFC，但PEMFC工作时往往是组装电堆的形式。为此，设计带有竖直流道作为反应物进出口的单电池电堆结构，并提出一种新型的串联补偿流场，采用3个进气口，并具有首尾互相串联的3个流道，流道之间可以互相补偿反应物。使用ANSYS软件基于单层电堆层面进行仿真模拟研究，保证阳极是相同蛇形流场的情况下，阴极分别采用传统单流道蛇形流场和新型串联补偿流场，分析单层PEMFC电堆中多孔介质层（即扩散层（GDL）和催化层（CL））的电流密度、氧气质量分数、液态水饱和度、速度矢量和流道压力的分布规律。仿真结果表明：传统单流道蛇形流场单层PEMFC电堆中，整体管道压降较高，电流密度和氧气质量分数较高的区域集中在入口段，越靠近出口段分布越少；出口段液态水饱和度较高而速度矢量没有明显升高，液态水容易囤积在出口段；新型串联补偿流场，电流密度分布相对均匀，氧气质量分数有多个较高的区域，分布更加广泛，电化学反应更加充分，整体压降较低，在氧气质量分数较高的区域，速度矢量明显较高，促使氧气在多个流道间快速补充和扩散，整体液态水饱和度相对较低，出口段同样速度矢量较高，排水效果增强。
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